芯耀
与非AI
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汽车电气系统面临的最严峻瞬态过压挑战之一便是抛负载（Load Dump）。本篇分析两个核心的汽车抛负载测试标准——ISO 7637-2（脉冲5A 5B）与ISO 16750-2（替代了ISO 7637-2的脉冲5部分），详尽对比其技术差异，特别是对保护器件耐受能力要求的不同。文章将系统阐述瞬态电压抑制（TVS）二极管作为关键保护元件的技术原理、关键参数定义及其在满足上述严苛标准中的选型准则、设计考量与实际应用策略，为汽车电子工程师提供全面的防护设计参考。
1. 汽车抛负载现象机制与失效风险分析
汽车抗扰测试中，最严酷的就是抛负载测试，在电磁兼容你EMC测试中是最重要也是最后测试的项目，包括油车和油电混合车，在典型的汽车电气架构中，铅酸蓄电池与发电机并联为整车电气系统供电。当发动机高速运转时，发电机处于充电状态。若在此期间，由于线路松动、腐蚀或其他机械故障导致电池突然断开（负载瞬间消失），发电机励磁绕组（磁场绕组）中存储的大量磁场能量（E = ½LI²，其中L为励磁电感，I为励磁电流）无法立即释放，会在发电机输出端（即车辆电源总线）产生一个极高幅值的电压尖峰。此电压尖峰：
高幅值：可达到数十甚至上百伏特，远超系统正常工作电压（12V或24V系统）。
高能量：持续时间相对较长（通常为几十毫秒至数百毫秒），携带巨大能量。
高破坏性：足以使下游ECU中的CMOS工艺微控制器（MCU）、数字逻辑芯片、模拟前端（AFE）、收发器（Transceiver）等敏感电子元件因过压或过功耗而发生永久性损坏（硬击穿或热击穿）。因此，有效的抛负载保护是确保汽车电子系统可靠性的基石。
2. 汽车抛负载防护的核心标准：ISO 7637-2 vs. ISO 16750-2
为量化评估车辆电子设备对抛负载的抗扰度，国际标准化组织制定了专门的测试标准。
ISO 7637-2：这是较早期的汽车电磁兼容性（EMC）传导骚扰抗扰度测试标准。其附录D中定义了抛负载测试波形，主要包括脉冲5a（无内置抑制的发电机）和脉冲5b（有内置抑制的发电机）。该标准通常要求施加1次规定的脉冲进行测试。
ISO 16750-2：这是更新的标准，属于《道路车辆 电气和电子设备的环境条件和试验》系列标准的一部分。它替代了ISO 7637-2中关于抛负载脉冲5的部分，提供了更精确、更严格的规范。关键改进在于：
增加了脉冲次数：从ISO 7637-2的1次脉冲，提升至10次脉冲，且规定了1分钟的间隔时间。这模拟了车辆在生命周期内可能遇到的多次抛负载事件，对保护器件的累积能量耐受能力提出了更严峻的考验。
更新了测试电压范围：针对12V和24V系统，定义了比ISO 7637-2更高的US（测试电压峰值）范围，意味着保护电路需处理更高的能量。
细化了参数定义：对脉冲波形的参数（如Ri源阻抗、US限制电压等）给出了更明确的规定。
3. ISO 16750-2 与 ISO 7637-2 关键参数对比与影响分析
结论：ISO 16750-2 是一个更严格、更能反映真实应用场景的测试标准。设计用于满足该标准的保护电路，必然也能满足（或超越）ISO 7637-2的要求。
4. 抛负载保护电路
设计抛负载保护电路，不单要考虑浪涌，还需要考虑防反接，过电流保护等，选型过程还需要充分考虑EMC测试的其他项目波形，包括EMS和EMI。大部分能力是需要选择车用TVS来吸收能量。
4. TVS二极管技术原理与关键参数详解
TVS（Transient Voltage Suppressor）二极管是一种基于PN结雪崩击穿原理工作的半导体器件，专门用于吸收瞬态过电压能量。
· 工作原理：
1. 待机状态：当施加在其两端的电压低于其反向截止电压（VRWM或称额定电压）时，TVS表现为高阻态，仅有微小的漏电流流过，对电路几乎无影响。
2. 击穿/箝位状态：当瞬态过电压超过其击穿电压（VBR）时，TVS迅速进入雪崩击穿区，阻抗急剧下降，呈低阻态。
3. 能量泄放：瞬态电流迅速增大，大部分瞬态能量通过TVS泄放至地回路。其两端电压被箝位在相对稳定的箝位电压（VC）附近。
4. 恢复：当瞬态电压回落至VBR以下时，TVS恢复高阻态，电路恢复正常工作。
· 关键参数：
o 反向截止电压（VRWM）或称额定电压：是指在规定的工作温度范围内，TVS 二极管能长期连续承受的最大反向直流电压（或重复脉冲反向电压），在该电压下，TVS 始终处于高阻状态。
o 击穿电压（VBR）：在规定的测试电流（通常为1mA或几mA）下，TVS开始雪崩击穿的电压值，这是选择TVS的必要依据，其值必须高于系统最高工作电压，以避免误动作。
o 箝位电压（VC）：在规定的峰值脉冲电流（IPP）下，TVS两端呈现的最大电压。这是保护效果的核心指标，必须低于被保护器件的绝对最大额定电压（Absolute Maximum Rating），否则保护无效。
o 峰值脉冲电流（IPP）/峰值脉冲功率（PPP）：表征TVS能够承受的最大瞬态能量。PPP= VC* IPP。这两个参数决定了TVS在特定波形下的能量处理能力。对于抛负载这种高能量脉冲，IPP和PPP是核心选型指标。
o 结电容（Cj）：TVS的寄生电容，会影响高频信号的传输，对于高速信号线上的保护需特别注意。
o 响应时间（tr）：TVS从检测到过压到进入低阻态的时间，通常在皮秒（ps）级别，远快于抛负载脉冲的上升时间（～5ms），能满足绝大多数应用需求。
5. 基于标准要求的TVS选型与应用策略
5.1 系统状态判断与保护需求分析
· 发电机无内置抑制（对应标准Pulse 5a）
o 风险：ECU直接暴露于高幅值、高能量的原始抛负载脉冲。
o 保护策略：ECU输入端必须安装高能量TVS（如Leiditech SM8S系列），该TVS满足ISO 16750-2（或ISO 7637-2）下Pulse 5a的所有要求（考虑10次脉冲，高US）。
· 发电机有内置抑制（对应标准Pulse 5b）
o 风险：抛负载脉冲已被发电机内置电路初步抑制，但电压仍可能超过ECU耐受值（US）。
o 保护策略：
§ 评估：首先确认发电机抑制后的电压US是否低于ECU的耐受电压。如果低于，ECU可能无需额外TVS。
§ 选择TVS：如果高于ECU耐受电压，则需安装TVS。此时，TVS的VRWM必须高于US否则TVS会在正常工作时持续导通，导致过热烧毁。TVS只需箝位超出US的部分，但仍需考虑ISO 16750-2的10次脉冲要求。
5.2 TVS选型计算与考量
· 确定VBR：由于需要考虑到耐直流电压测试需求，一般国内产品是需要12V系统选型大于24V TVS，而24V系统的选型用到33V 或36V的TVS.
· 确定VC：VC@ IPP< 被保护器件比如DCDC的绝对最大额定耐电压。
· 确定IPP/PPP：
o 计算IPP：抛负载脉冲电流峰值 IPP≈ (US- VC) / Ri。其中US是测试电压，VC是TVS的箝位电压，Ri是测试源阻抗，一般从车厂获取，如企标没有，则选择高压高阻，或低压低阻。这是一个估算，因为VC随IPP变化。
o 选择依据：根据计算得到的IPP，查找TVS数据手册中满足此电流下箝位电压VC不超过被保护器件耐压的型号。同时，确保所选TVS的额定峰值脉冲功率/电流能够承受ISO 16750-2（10次脉冲）的能量冲击，充分根据TVS的时长斜率曲线计算功率耗散，因为时长积累的能量很大，Leiditech雷卯有提供专门针对抛负载应用的TVS系列，其数据手册会明确给出在ISO 16750-2波形下的IPP和VC值。
· 考虑多脉冲效应：ISO 16750-2的10次脉冲要求意味着TVS不仅要承受单次脉冲的能量，还要考虑10次脉冲的总能量和热
